可用于軌道車輛狀態監控的歐洲數據基礎設施
——GAIA-X平臺

1 背景

為實現軌道車輛的預測性維修、提高其可用性，鐵路運營商和制造商通常會在軌道車輛上安裝狀態監測系統。這些系統的功能是利用與車輛控制系統的接口以及其自身安裝的傳感器采集車輛狀態數據，并通過無線通信的方式將其傳輸至中央數據基礎設施。中央數據基礎設施中的數據庫可提供從模式識別、知識生成到基于海量數據分析和機器學習的復雜預測等新型數據驅動服務，從而使車輛維修部門的維修決策更科學、維修策略更優化。

因此，歐洲各國近年來開發建設了大量鐵路專用數據基礎設施，但由于缺乏統一標準，導致建設和運營過程中存在以下問題。

（1）技術方面。由于各數據基礎設施所使用的數據格式不統一，相關數據不能直接比較或重復使用。

（2）組織方面。制造商為獲得并保持其競爭優勢，對披露接口規范持保留態度，導致缺乏統一接口規范，難以實現不同數據基礎設施之間的數據交換。

而解決上述問題的關鍵在于：

（1）通過標準化消除技術障礙，即實現技術接口的標準化、公開化；

（2）通過建立新的商業模式消除組織障礙，即實現不同數據基礎設施間的數據及數據服務共享。

2 物聯網（IoT）系統

對軌道車輛的狀態監控通常通過IoT 系統實現。圖 1展示了IoT 系統的基本架構。其主要由以下部分組成。

圖1 IoT 系統基本架構

（1）邊緣計算設備。即軌道車輛上收集數據、進行數據預處理并將其傳輸到中央數據基礎設施的設備。其涉及的數據包括傳感器采集數據及來自不同車輛控制系統的信息。

（2）通信設備。即連接各邊緣計算設備與中央數據基礎設施的設備，其采用各種傳輸介質進行數據傳輸，包括無線局域網（WLAN）、藍牙、無線電以及不同的通信協議。

（3）中央數據存儲設備。其作為數據基礎設施的重要組成部分，包括數據庫、數據池等多種形式，具有數據處理所需的計算能力、軟件。

（4）大數據分析模塊。即用于從采集數據中獲得經驗和知識的模型。

目前，若采用單一IoT 系統，則存在數據只能在該系統中使用的風險，因為制造商只提供自己的數據基礎設施和分析平臺，忽略了通過接口向外部系統提供服務。而利用數據創造價值不能僅限于一次性的分析，IoT 系統的數據必須與其他系統的數據實現鏈接、交互，確保其廣泛的可用性，才能充分發掘其價值。

3 歐洲數據基礎設施 GAIA-X 平臺概述

為解決上述問題，以法國、德國為代表的歐盟國家從2018 年起致力推進旨在創建通用數據及云基礎設施的 GAIA-X 項目。該項目的目標是構建一個符合歐洲數據保護標準、多樣化且安全的數據交換及處理生態系統，通過內部透明的網絡、提供硬件和軟件服務的聯合基礎設施以及共同的身份驗證系統，將不同的參與者聯結在一起，實現數據的交互與共享。該項目的建設成果為GAIA-X 平臺，包括數據生態系統、基礎設施生態系統、認證和信任系統3 部分。

3.1 數據生態系統

數據生態系統是GAIA-X平臺提供的可用數據網絡，數據所有者、加工者及使用者可在其中免費或者通過彼此之間的簡單協議共享數據。在這里，由數據所有者決定數據的處理方式和處理者，這使多方共享數據成為可能，也使數據所有者可以更輕松地進行組合報價。

圖2 展示了在GAIA-X 數據生態系統中各參與者之間的合作關系。可利用對列車車門系統進行狀態監控的示例對各參與者進行說明。

圖2 GAIA-X 數據生態系統

（1）車門系統制造商（圖2 中的淺藍色圓圈）為其產品安裝用于采集和提供狀態數據的診斷設備，并根據采集的狀態數據進行產品監控和改進。

（2）車輛制造商（圖2 中的綠色圓圈）將車門集成到車輛和更高級別的診斷設備中。所有集成組件的數據都將被采集并傳輸給車輛制造商。

（3）車輛運營商（圖2 中的紅色圓圈）提供運輸服務。為確保車輛可靠地定期運行，其需要獲取車輛及其組件的實時狀態數據。

（4）維修中心（圖2 中的黃色圓圈）接收車輛運營商和制造商的維修訂單，執行維修工作。其綜合數據庫可為備件物流提供支持，并且有助于簡化維修過程。

3.2 基礎設施生態系統

基礎設施生態系統是指 GAIA-X 平臺內由各種參與者提供的一系列服務。其基本組成部分為節點、服務、服務實例、數據資產，如圖3 中的灰色框所示。

圖3 GAIA-X 基礎設施生態系統

（1）節點是指數據處理資源，如數據存儲設備或服務器。

（2）服務是指云服務產品，如分析軟件、數據庫軟件、網絡應用程序。

（3）服務實例是指在特定數據處理資源（即節點）上執行的特定服務。

（4）數據資產包括計算單元、存儲單元等，負責在GAIA-X 平臺中提供數據。服務實例可調用數據資產，并對數據進行補充、分析和呈現。

各個提供技術組件及軟、硬件集成的參與者在圖3中以藍色圓圈標示。GAIA-X 平臺匯聚了跨公司、跨行業的數據及其相關產品，為參與者的聯合奠定基礎，以便使不同來源的產品、服務能夠相互融合。

3.3 認證和信任系統

為實現跨公司、跨行業的數據鏈接與共享，GAIA-X平臺提供運營數據及基礎設施生態系統所必需的聯邦服務，包括數據交換服務、身份驗證及信任系統、訪問系統，以及GAIA-X 平臺中可用服務的目錄。這些服務均開放源碼，所有參與者可免費使用。GAIA-X 平臺中，通過自我描述、政策和上傳流程等方式確保組件和數據的可信度。

（1）自我描述是對基礎設施生態系統組件基本屬性的歸類和描述，如標識符、所有者、包含組件等。

（2）政策用于規范組件和數據的使用。例如，數據所有者可以利用政策指定其數據的處理者和使用者。

（3）上傳流程是指將組件的自我描述傳輸到GAIA-X 平臺中央監控系統進行核查，并在符合要求的情況下為其頒發GAIA-X 證書。在獲取證書后，該組件則可在GAIA-X 平臺中使用。

4 將軌道車輛集成到 GAIA-X平臺

對于新購軌道車輛及其組件，若其具備與GAIA-X平臺兼容的軟硬件條件，則可容易地集成到GAIA-X 基礎設施生態系統中。然而，由于軌道車輛的生命周期通常較長（30～60 年），如何將已服役的大量軌道車輛整合到GAIA-X 基礎設施生態系統中，是一個亟待解決的問題。

將車輛相關數據納入GAIA-X 數據生態系統需要數據資產的支持。因此，車輛上的物聯網系統必須包含作為集成或附加組件的數據資產。這一點可通過2 種方法實現：其一，在設計新物聯網系統時，將相關組件作為GAIA-X 數據資產集成到新系統中；其二，對于無法更改組件的現有車輛系統，通過附加組件——網關實現集成，網關負責從現有系統中收集數據并使其在GAIA-X數據生態系統中可用（圖4）。

圖4 兼容GAIA-X 平臺的車輛系統構架

4.1 將組件作為 GAIA-X 數據資產集成到新系統中

在這種情況下，車輛物聯網系統的所有組件都在GAIA-X 平臺架構中運行（圖4 左）。邊緣計算設備成為數據資產，負責提供恒定數據流；中央數據存儲設備成為服務實例，負責收集、存儲、提供來自邊緣計算設備的數據。其優點在于，邊緣計算設備可為多個服務實例（并行）提供數據支持，這不僅使中央數據存儲設備的更換更容易，還允許將數據從邊緣設備分發到多個服務實例。此外，大數據分析模塊等其他組件也可成為服務實例，從而更有利于數據的交互。通過使用GAIA-X 平臺身份驗證和傳輸系統，可提高系統可連接性和數據傳輸效率。

4.2 通過網關將現有系統接入 GAIA-X 平臺

在這種情況下，需要一個外部組件作為連接GAIA-X 平臺的網關。該組件屬于數據資產，連接現有系統的數據存儲器，負責響應來自GAIA-X 平臺的數據請求、為其提供現有系統相關數據（圖4 右）。采用此種方法的優點在于可以在現有系統具有合適數據接口的條件下擴展現有系統的功能；缺點在于邊緣計算設備不能被其他服務實例直接調用。因此，不建議將此方法用于新系統的開發。

5 結語

GAIA-X 平臺的建立有利于克服目前軌道車輛狀態監測領域的技術和組織障礙，實現數據所有者、處理者、使用者之間的數據交互和共享，以數據驅動的方式識別軌道車輛設計和維護方面的改進潛力，并據此提出提高車輛可用性的措施。